淺談基於無線物聯網的工業企業能耗監控係統設計

hth下载地址 陳聰

摘要：針對工業(ye) 製造企業(ye) 存在高能耗、高汙染的問題，提出了一種用於(yu) 工業(ye) 企業(ye) 能耗監控的多層級網絡係統。本係統可完成企業(ye) 內(nei) 部電力、水資源以及燃氣等能源消耗的智能監測，並將監測結果存儲(chu) 至Web服務器和後台數據庫，在前端用戶交互麵板顯示，以實現對企業(ye) 能耗係統化的監控和管理目標。

關(guan) 鍵詞：物聯網（IOT）；工業(ye) 企業(ye) ；能耗監控

0.引言

隨著通信技術的迅猛發展，各行業(ye) 加強智能化建設也邁向新的台階。目前，無線公網在配電自動化和計量自動化中的應用都頗為(wei) 廣泛，*了供電企業(ye) 抄表方式的轉變[1]。為(wei) 此，供電企業(ye) *智能電表和低壓集抄全覆蓋工作，逐步取消人工抄表模式，實現全量客戶自動化模式抄表，以適應新一輪電力體(ti) 製*新要求，提升企業(ye) 管理水平，提高工作效率[2-4]。公網無信號區域大部分為(wei) 偏遠山區，人工抄表耗時費力且人身風險較大。顯然，解決(jue) 公網無信號區域的遠程抄表問題是必行之舉(ju) 。

1.工業(ye) 製造企業(ye) 能耗監控中的物聯網關(guan) 鍵技術

1.1　環境信息感知設備

當前，工業(ye) 製造企業(ye) 能耗監控使用的傳(chuan) 感裝置包含電量傳(chuan) 感器、測溫傳(chuan) 感器、ESR型燃氣傳(chuan) 感器、溫度隔離變送器以及水位計，用於(yu) 多源環境信息的感知、采集與(yu) 處理分析[1]。而射頻識別（RadioFrequencyIDentification，RFID）技術往往通過電子標簽來記錄多種多樣的環境信息，可自動準確識別電力供電狀態信息、設備維護的操作信息。一旦係統開啟，便可實時監控、記錄相關(guan) 環境信息，並及時回傳(chuan) 至後台處理。

1.2　網絡通信技術

在工業(ye) 製造企業(ye) 的能耗監控過程中，對於(yu) 物聯網環境信息的感知、傳(chuan) 輸，通常更多用到無線網絡通信技術、CC1100無線接收模塊、全球移動通信係統模塊，形成各節點間的數據通信和資源共享。當前外部環境能耗監控中運用的網絡通信技術，包括NSA/SA通信技術、窄帶物聯網（NarrowBandInternetofThings，NB-IoT），其中NSA/SA為(wei) 常見的5G網絡通信技術和雙模通信模式，上行支持256正交振幅調製（QuadratureAmplitudeModulation，QAM）和HPUE、下行支持探測參考信號（SoundingReferenceSignal，SRS）輪發，可滿足不同場景下的物聯網數據傳(chuan) 輸要求。而NB-IoT屬於(yu) 小範圍空間的無線移動通信網絡，主要依托於(yu) 5G移動蜂窩網絡，在企業(ye) 不同生產(chan) 設備中部署，包括網絡上行/下行基帶信號、獨立載波的部署，從(cong) 而保證網絡數據信息傳(chuan) 輸和智能業(ye) 務分配的控製。

1.3　數據處理技術

利用物聯網能耗監測係統和傳(chuan) 感器裝置接收網絡數據信息，通常會(hui) 被傳(chuan) 送至多個(ge) 網絡節點進行處理。而用於(yu) 數據處理控製的網絡節點主要分為(wei) 互聯網信息物理係統（CyberPhysicalSystem，CPS）節點、有源CPS節點和無源CPS節點，其中互聯網CPS節點可針對海量化的網絡數據信息進行能耗監測數據計算、分析。而有源/無源CPS節點通過多個(ge) 節點間的連接構建物聯網係統的信息控製*，用於(yu) 少量能耗監測數據信息的處理和存儲(chu) 。這樣對簡單能源消耗數據的處理可不再傳(chuan) 送至核心處理器即可完成處理計算。

1. 物聯網感知與(yu) 傳(chuan) 輸技術的組成框架結構

物聯網係統利用信息采集的傳(chuan) 感裝置、多種網絡通信協議構建具有工業(ye) 企業(ye) 數據獲取、處理、傳(chuan) 遞、存儲(chu) 與(yu) 共享的多級結構。因而，依托智能傳(chuan) 感器裝置、網絡通信協議、網關(guan) 服務器、後台數據庫等軟硬件以及其他的可擴展組件，可完成物聯網絡係統的組網，自動收集、整理和保存有關(guan) 工業(ye) 能耗的數據信息[2]。當前，物聯網技術的組成框架包括感知層、網絡層、控製層以及應用層等，具體(ti) 結構如圖1所示。

圖1　物聯網感知與(yu) 傳(chuan) 輸技術的組成結構

根據圖1的物聯網技術框架可以得出，網絡層和控製層是物聯網能耗監控係統的重要部分。其中，網絡層包含網絡通信協議、網關(guan) 服務器、以太網卡、無線通信模塊以及控製輸出接口結構，主要用於(yu) 建立控製層和應用層間的網絡連接。物理層通信協議用於(yu) 數據采集的控製，但難以保證數據傳(chuan) 輸、處理的安全性。而數據鏈路層協議可對物理信道的傳(chuan) 輸使用進行控製、複製，並通過引入多個(ge) 網絡節點的數據處理技術讀取、寫(xie) 入和分析載入數據信息。而控製層屬於(yu) 感知層、網絡層的中間層級，通常將網絡傳(chuan) 感器收集的的各類能耗信息，經由多功能電表、智能水表、燃氣表以及多個(ge) 設備控製器，實現對傳(chuan) 感器采集信息傳(chuan) 輸、設備狀態信息、能耗監控指令、能耗信息存儲(chu) 與(yu) 調用等功能控製，並將從(cong) 網絡層返回的能耗數據信息存儲(chu) 至後台數據庫。

3.基於(yu) 物聯網技術的工業(ye) 企業(ye) 能耗監控係統設計

3.1　工業(ye) 企業(ye) 的能源消耗分析

工業(ye) 製造企業(ye) 在日常生產(chan) 經營過程中通常會(hui) 用到水、煤、電力以及燃氣等能源，其中煤炭、電力是工業(ye) 生產(chan) 製造消耗量*的能源，但煤炭的利用效率僅(jin) 為(wei) 55%～70%、且對環境汙染嚴(yan) 重，因而近年來煤炭能源的用量顯著下降[3]。特別對工業(ye) 企業(ye) 的電機驅動工序而言，通常會(hui) 經過熱處理、切削、成型、幹燥、黏結及裝配等流程，並涉及能源消耗的分配、計量、監測的控製環節。

3.2　工業(ye) 企業(ye) 能耗監控係統的組成結構

基於(yu) 物聯網技術的工業(ye) 企業(ye) 能耗監控係統屬於(yu) 互相獨立、分布式的監控管理係統平台。通常采用瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）架構、JavaScript腳本語言，建立用於(yu) 綜合能耗監控、數據庫管理控製的平台。

首先，依托物聯網係統的感知層包括紅外探測器、溫濕度傳(chuan) 感器、壓力傳(chuan) 感器、流量計以及RFID智能識別卡等環境信息監測裝置，以及多功能電表、智能水表、燃氣表的內(nei) 部控製設備。相關(guan) 人員探測與(yu) 采集企業(ye) 內(nei) 部的環境信息和不同運行設備的能耗信息，智能識別水、煤、電力及燃氣的能源用量，並經由網絡通信協議、紅外通信協議、RS485通信模塊與(yu) GSM通信模塊、網關(guan) 服務器上傳(chuan) 至係統後台數據庫進行處理[4]。其次，由燈具、空調、風機以及切削車床等設備控製器，參與(yu) 能耗節能管理的網關(guan) 控製中，由特定設備控製器進行網絡層和感知層命令的傳(chuan) 輸控製，包括網絡層命令下發和感知層命令上傳(chuan) 。*後，利用NSA/SA通信技術、NB-IoT組網技術、傳(chuan) 輸控製協議/網際協議（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，TCP/IP）、RS485無線通信模塊、433M通信模塊、GSM通信模塊自組網方式，設置多個(ge) 生產(chan) 設備的開啟和關(guan) 閉時間，用於(yu) 企業(ye) 能耗狀態的實時監控和遠程控製，以達到係統智能化的節能目標。

4.基於(yu) 物聯網技術的工業(ye) 企業(ye) 係統能耗監控管理功能實現

目前，工業(ye) 企業(ye) 能耗監控係統依托B/S架構、JavaScript腳本語言、無線通信協議、RS485總線、網絡計算機、數據庫服務器、平台服務器以及用戶客戶端等設置數據采集、能耗監控、節能管理以及係統管理模塊，可由每個(ge) 區域獨立的監控子係統為(wei) *，開展企業(ye) 係統管理環境狀態監控、能耗監控、生產(chan) 產(chan) 能分析、設備控製以及節能管理等功能操作。

4.1　係統管理功能

工業(ye) 企業(ye) 能耗監控係統的基礎管理設置主要圍繞用戶訪問、操作權限、設備配置以及網元調試等服務功能，構建用於(yu) 係統基本信息配置、人員與(yu) 操作管理的監控模塊[5]。

4.1.1　用戶管理

為(wei) 保證外部用戶訪問的安全性，針對用戶注冊(ce) 、登錄、信息訪問與(yu) 調用的操作流程，使用Segmenttoken數據表、token範圍的登錄信息驗證機製，由後台服務器端開展用戶名和密碼的驗證，並生成用戶應用程序接口（ApplicationProgrammingInterface，API）請求調用和token身份驗證的信息數據。

4.1.2　網絡防護與(yu) 網元權限管理

工業(ye) 企業(ye) 生產(chan) 運營的權限管理包括網絡權限、網元權限以及功能權限等權限控製要素。在物聯網能耗監控係統的管理過程中，應先收集通信網絡的相關(guan) 設備狀態信息，包括交換機、路由器及傳(chuan) 輸設備等運行狀況信息，實時監視存在的網絡配置、設備異常或故障情況，在此基礎上從(cong) 遠程發送指令進行網絡傳(chuan) 輸通道設置、設備修改或刪除等重新配置。

4.1.3　能耗設備與(yu) 視頻管理

基於(yu) 不同物聯網傳(chuan) 感器采集的能耗信息，要通過內(nei) 部控製設備進行相關(guan) 文檔、視頻和音頻數據信息的監控管理，如配置視頻攝像頭的焦距、焦點、亮度、色彩等信息，以及對紅外探測器、溫濕度傳(chuan) 感器、壓力傳(chuan) 感器、流量計以及RFID智能識別卡等傳(chuan) 感裝置，完成設備運行狀態和詳細參數的合理監測與(yu) 管理。

4.2　能耗監控功能

工業(ye) 企業(ye) 能耗監控的管理功能執行主要麵對園區內(nei) 的煤炭係統、變配電係統、供水係統和天然氣係統，包括鍋爐製漿機、磨漿機、泵機以及作業(ye) 塔等設備。將網關(guan) 服務器收集的曆史能耗、實時能耗使用數據進行*的統計分析、導出與(yu) 顯示，能耗監控的時間間隔設為(wei) 每次1h。

4.2.1　煤炭能耗監控

在大數據雲(yun) 服務器和B/S網頁服務架構的基礎上，利用環境傳(chuan) 感器和智能能源監控裝置搜集企業(ye) 某一站點的煤炭用量和設備實時狀態信息，顯示當前時間的能耗數據、告警及統計數據，以統計表、柱狀圖和餅狀圖等形式展示用能信息，從(cong) 而得出在某一時段內(nei) 的設備能耗值。

4.2.2　電力能耗監控

企業(ye) 生產(chan) 運營的電力使用監控主要是對廠區內(nei) 不同回路的電氣參數，包括采集、統計與(yu) 記錄變壓器、變電站以及配電站等裝置所發生的電力耗能狀況，顯示與(yu) 記錄故障自動報警和故障問題日誌的數據，實現變配電係統的實時監測和控製功能。

4.2.3　供水使用能耗監控

供水監控係統通常設置兩(liang) 個(ge) 配水池，向企業(ye) 提供生產(chan) 恒壓供水和消防噴淋供水。這一情況下供水總管進入廠區後可分為(wei) 兩(liang) 路，分別與(yu) 生產(chan) 用水管網和消防用水管網的控製設備連接。為(wei) 保證供水使用能耗的準確檢測，可以在配水池和總供水管路中同時設置水位計、流量計及壓力計等供水監測裝置，實時監測計量水池水位、供水水壓和供水流量。

4.2.4　天然氣能耗監控

工業(ye) 企業(ye) 內(nei) 部存在眾(zhong) 多的熱源和隔壓站。對於(yu) 各監測點位的天然氣能耗數據統計，通常使用分散控製係統（DistributedControlSystem，DCS）熱網監控係統，圍繞天然氣的生產(chan) 消耗量和采暖消耗量來監控天然氣瞬時流量、累計流量及傳(chuan) 輸壓力等數據信息。通過在某一時段內(nei) 啟停生產(chan) 設備，利用天然氣門站計量裝置觀察傳(chuan) 感器、閥門執行器和端設備的參數變化情況，將生成的實時天然氣流量和壓力傳(chuan) 回至後台數據庫，並整合多設備燃氣使用狀態的數據和分類存儲(chu) ，*限度地保證能耗供需計劃和供需分配的合理性。

4.3　產(chan) 能與(yu) 節能管理功能

根據每台機器的生產(chan) 班次和班次產(chan) 能，工業(ye) 企業(ye) 搜集、統計與(yu) 錄入分析生產(chan) 的產(chan) 能信息。在接收生產(chan) 工作後由管理人員參與(yu) ，統計每個(ge) 班次產(chan) 能信息、生成能耗與(yu) 產(chan) 出的統計對比表，得出某一時段內(nei) 企業(ye) 的產(chan) 能趨勢圖和能耗變化趨勢圖，並依次錄入以上的產(chan) 能及能耗數據信息，以反映企業(ye) 每個(ge) 產(chan) 出生產(chan) 班次的能耗效用高低。

5.hth下载地址工業能耗分析係統

5.1概述

Acrel-7000企業(ye) 能源管控平台采用自動化，信息化技術和集中管理模式，對企業(ye) 的生產(chan) 、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理，監測企業(ye) 電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和怕勢分析，幫助企業(ye) 針對各種能源需求及用能情況、能源質量、產(chan) 品能源單耗、各工序能耗、重大能耗設備的能源利用情況等進行能耗統計、同環比分析、能源成本分析、用能預測、碳排分析，為(wei) 企業(ye) 加強能源管理，提高能源利用效率，挖掘節能潛力、節能評估提供基礎數據和支持。

5.2應用場所

適用於(yu) 鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫藥、水泥、煤炭、物流、鐵路、航空工業(ye) 、木材、化學原料以及機電設備、電器產(chan) 品、工器具製造等。

5.3係統功能

5.3.1自定義(yi) 駕駛艙

用戶根據實際需求自己搭建駕駛艙，通過豐(feng) 富的圖形化界麵展示各類統計數據。

5.3.2可視化3D

通過虛擬仿真實現多維度可視化，為(wei) 客戶提供數字化服務，助力企業(ye) 能源經濟雙向管理，提升能源管理水平。

5.3.3多係統對接集成

5.3.4數據自診斷

數據異常診斷，提升安裝調試效率，保障數據準確性。

5.3.5能效分析報告

提供設備能效分析結果及節能建議，幫助管理人員*了解企業(ye) 的能效水平，為(wei) 企業(ye) 節能降耗提供數據支持。

5.3.6能源流向圖

能源流向圖展示單棟建築*時段內(nei) 各類能源從(cong) 源頭到末端的的能源流向，支持按原始值和折標值查看。

5.3.7夜間能耗分析

夜間能耗以表格、曲線、餅圖等形式對選擇支路分類能源在*時段工作時間與(yu) 非工作時間用能統計對比，支持導出報表。

5.3.8設備管理

設備管理包括，設備類型、設備台賬、維保記錄等功能。輔助用戶合理管理設備，確保設備的運行。

6.係統硬件配置

1. 結語

物聯網技術作為(wei) 互聯網信息產(chan) 業(ye) 的新興(xing) 技術，通常會(hui) 運用外部信息感知的數據采集技術，包括溫度傳(chuan) 感器、光電傳(chuan) 感器、聲音傳(chuan) 感器以及RFID射頻識別等軟硬件，采集工業(ye) 企業(ye) 生產(chan) 經營過程中涉及的電力、水資源及燃氣等能源消耗數據。因此，針對工業(ye) 生產(chan) 的電力、水資源及燃氣等能源消耗，可通過傳(chuan) 感設備信息獲取和標簽讀寫(xie) 的方式采集能耗數據、處理數據信息，並設置多個(ge) 設備控製端口，監測與(yu) 反饋企業(ye) 的實時能耗，可滿足規定的企業(ye) 節能降耗的控製要求。

參考文獻

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[5]hth下载地址企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) .2022.05版.